Diapositiva 1

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• I calcestruzzi e le malte vengono prodotti
  miscelando i seguenti ingredienti
• Acqua
• Cemento
• Elementi lapidei (aggregati)

Dimensioni dellaggregato lt 5mm
MALTE
Dimensioni dellaggregato gt 5mm
CALCESTRUZZI
Il calcestruzzo è spesso rinforzato con armature
in acciaio (calcestruzzo armato) Quando i ferri
dellarmatura sono pre-tesi si parla di
calcestruzzo armato precompresso. In questo caso
per effetto delladerenza tra sistema cementizio
e acciaio si stabilisce uno stato di coazione
consistente in una sollecitazione di compressione
nel conglomerato e di trazione nelle armature. In
questa situazione il materiale risultante è in
grado di sopportare carichi maggiori.
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• Il calcestruzzo è un materiale composito
  costituito da due fasi
• Matrice cementizia
• Elementi lapidei

In realtà ciascuna delle fasi è a sua volta un
sistema multifasico, in particolare nella matrice
cementizia si distinguono due zone la zona di
transizione (spessore di 10-50 mm) e la
circostante matrice vera e propria. La zona di
transizione è più porosa e costituisce lanello
debole della catena.
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I LEGANTI
I leganti sono materiali in polvere che mescolati
con acqua formano una pasta plastica e lavorabile
capace di indurire nel tempo. Distinguiamo

1. Leganti aerei possono indurire soltanto in aria
   (gesso, calce)
2. Leganti idraulici possono indurire anche in
   acqua (calce idraulica, cemento)

GESSO emidrato CaSO4 1/2H2O e/o anidrite CaSO4,
si ottiene per riscaldamento a 150C del gesso
naturale CaSO4 2H2O
Le fasi metastabili (emidrato e anidrite) sono
solubili nellacqua dellimpasto dalla quale
precipita il gesso naturale (stabile) e si ha la
presa. La quantità dacqua necessaria alla
completa idratazione del gesso è a pari al 20-25
in peso. Quella effettivamente impiegata è più
alta per consentire la lavorabilità, ma da luogo
alla formazione di pori che abbassano al
resistenza meccanica (20MPa). Ottima resistenza
al fuoco per la presenza dellacqua intrappolata
e di cristallizzazione.
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CALCE preparata dalla cottura di rocce calcaree
CaCO3?CaOCO2 (1000C). Lossido di calcio (calce
viva) posto in contatto con lacqua da
lidrossido di calcio Ca(OH)2 (calce spenta),
capace di indurire a contatto con laria per
effetto della precipitazione dei cristalli di
CaCO3 per la reazione dellidrossido di calcio
con lanidride carbonica. La resistenza
meccanica è dellordine di una decina di MPa
CALCE IDRAULICA preparata dalla cottura di rocce
calcaree argilla lossido di calcio si combina
con la silice e lallumina formando prodotti
capaci di indurire con acqua. E il materiale da
costruzione usato nellantichità ora sostituito
dal cemento.
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CEMENTO PORTLAND prodotto dalla macinazione di
un clinker (ottenuto per cottura di rocce
calcaree e argillose) con piccole quantità di
gesso biidrato. La cottura del clinker consente
la combinazione del CaO con SiO2, Al2O3 e Fe2O3
per ottenere alluminati, ferroalluminati e
silicati di calcio capaci di indurire con acqua.
500C
ARGILLA
SiO2 Al2O3 Fe2O3 H2O
900C
CALCARE
CaO CO2

• I 4 ossidi poi si combinano tra loro per dare
  (fase di cottura a 1400C)
• C3A (3CaOAl2O3)
• C4AF (4CaOAl2O3Fe2O3)
• C2S (2CaOSiO2)
• C3S (3CaOSiO2)

Formano la fase liquida che assicura la
produzione di silicati di calcio a temperature
non molto elevate
Costituiscono il 75-85 della massa del clinker e
sono quelli che conferiscono le caratteristiche
di resistenza meccanica al cemento indurito
Il clinker così ottenuto è sottoposto a
macinazione sino ad ottenere particelle lt 75mm
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Idratazione del cemento Portand
La presa e lindurimento del cemento sono la
conseguenza della reazione chimica del cemento
con lacqua.
La quantità dacqua necessaria allidratazione è
per

• Idratazione completa stechiometrica 25 in peso
• Pasta sufficientemente lavorabile 30-35
• Pasta lavorabile con aggiunta di sabbia 40-45
• Pasta lavorabile con aggiunta di ghiaia sino
  all80

I quattro composti anidri non si idratano tutti
alla stessa velocità gli alluminati reagiscono
più velocemente dei silicati. Il raggiungimento
della resistenza meccanica dipende solo dal grado
di idratazione dei silicati, lidratazione degli
alluminati influenza le proprietà reologiche.
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La reazione del C3A e C4AF del con lacqua è
immediata dando luogo a prodotti solidi che fanno
perdere la plasticità allimpasto (presa rapida)
che ne pregiudica la lavorabilità. Il
rallentamento dellidratazione degli alluminati
avviene tramite il gesso biidrato che fa da
regolatore della presa.
La presenza di gesso in eccesso può dar luogo
alla falsa presa per la formazione di cristalli
di gesso (scarsa lavorabilità) che possono essere
facilmente distrutti proseguendo nella
miscelazione (ha un costo!)
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I pori capillari, di dimensioni comprese tra 0.01
e 5-6mm rappresentano lo spazio non riempito dai
componenti solidi della pasta di cemento idrata.
Il volume dei pori Vp dipende dalla distanza
originale tra le particelle di cemento anidro
nella pasta di cemento miscelata di fresco (cioè
dal rapporto a/c, in cui a è la massa dacqua e c
è la massa di cemento) e dal grado di idratazione
a, cioè dalla frazione di cemento idrato secondo
la relazione
Litri per ogni 100Kg di cemento
Quando i pori non sono connessi tra loro
(segmentazione dei pori) il cemento è
impermeabile. La condizione di impermeabilità
allacqua si raggiunge in tempi tanto maggiori
quanto più elevato è il rapporto a/c. Con
a/c0.55 occorre 1 mese per limpermeabilità, con
a/c0.7 non si ha mai impermeabilità.
Oltre ai pori capillari nella matrice cementizia
possono essere presenti i vuoti daria in forma
di microbolle sferiche inglobate volutamente per
aumentare la resistenza al ghiaccio e in forma di
cavità irregolari dovute alla miscelazione.
Per effetto della presenza dei pori e vuoti
daria la pasta di cemento è capace di trattenere
grandi quantità dacqua a seconda dellumidità
dellambiente e della porosità della pasta stessa.
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Resistenza meccanica del cemento portland dovuta
alla forza di attrazione di Van der Waals.
Silicato di calcio idrato
C-S-H
C3S, C2S
Il C-S-H è la fase che più di ogni altra
contribuisce alle caratteristiche meccaniche
La resistenza meccanica aumenta col tempo
trascorso dalla miscelazione 3 giorni 30 7
giorni 60 28 giorni 100 1 anno 120-140
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La resistenza meccanica è fortemente influenzata
dal rapporto a/c attraverso linfluenza sulla
porosità capillare.
Rc
a/c
Vp
Rc è la resistenza a compressione data dalla
relazione
n3, K250MPa, Vs è il volume del cemento idrato,
tenendo conto dellespressione del volume dei
pori Vp si ha
Dalla quale emerge che diminuendo il rapporto a/c
anche di poco la resistenza meccanica aumenta
notevolmente
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Stabilità dimensionale. La pasta di cemento
indurita non è dimensionalmente stabile al
variare dellumidità relativa U.R. Levaporazione
dellacqua nellintervallo 95ltU.R.lt100 comporta
lo svuotamento dei pori capillari più grossi
(gt50nm) senza che si abbia ritiro. Quando U.R.
scende al di sotto del 95 si ha evaporazione
dellacqua contenuta nei pori di dimensioni 10-50
nm provocando il ritiro.
Lunico modo per ridurre il ritiro causato
dallessiccazione è quello di ridurre Vp,
attraverso una riduzione di a/c e un aumento di a.
Durabilità. Limpermeabilità è un fattore
primario per assicurare la durabilità della pasta
di cemento perché riduce limpatto degli agenti
aggressivi ambientali.
La permeabilità del cemento diminuisce
esponenzialmente con VpVp(a,a/c). Il cemento
diventa impermeabile quando i pori capillari non
sono più collegati tra loro. Si realizza con
a/clt0.55 e con una stagionatura di 28 giorni
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AGGREGATI

• Laggregato in un calcestruzzo assolve a diversi
  compiti
• riduce il costo unitario (è più economico della
  pasta cementizia)
• consente di ridurre le deformazioni connesse con
  il ritiro
• influenza la lavorabilità e le caratteristiche
  meccaniche

• Morfologia la forma dellaggregato incide sulle
  proprietà del calcestruzzo fresco ed indurito.
• La lavorabilità decresce al crescere di S/V
• La resistenza a flessione cresce al crescere di
  S/V
• La resistenza a compressione decresce al
  crescere di S/V
• La lavorabilità decresce al crescere
  dellangolarità ( attrito)
• La resistenza meccanica cresce al crescere
  dellangolarità ( adesione)

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Granulometria per la determinazione della
distribuzione granulometrica di un aggregato si
ricorre alla separazione mediante setacciatura
con stacci di diversa luce di maglia ottenendo i
pesi delle singole frazioni granulometriche. La
curva granulometrica si costruisce riportando la
percentuale in peso di aggregati passanti in
funzione dellapertura d del vaglio.
Mtot 235 Kg
d mm passante Kg in peso
0.075 11.75 5
0.15 21.15 9
0.3 28.2 12
0.59 25.85 11
1.19 49.35 21
2.38 54.05 23
4.76 44.65 19
P è la percentuale passante a tutti i setacci d
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Distribuzione granulometrica ottimale
Per realizzare un conglomerato con la massima
densità possibile, quindi con il minor contenuto
di vuoti interstiziali tra i singoli granuli, la
curva granulometrica del sistema solido (cemento
aggregato) deve seguire lequazione
()
dove D è il diametro dellelemento lapideo più
grosso. Se il sistema cemento aggregato
soddisfa la () si realizza il massimo
assortimento dimensionale nel quale gli elementi
più fini sono allocati nei vuoti interstiziali di
quelli medi e questi ultimi si dispongono a loro
volta nei vuoti esistenti tra i granuli più
grossi.
Un calcestruzzo che soddisfa la () proprio per
il denso impacchettamento è scarsamente
lavorabile, quindi la () è stata modificata
introducendo un parametro A che tiene conto della
lavorabilità richiesta
()
8A14 e aumenta al crescere della lavorabilità e
se si passa da aggregati tondeggianti a quelli di
forma irregolare
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• La scelta di D deve tener conto dei seguenti
  vincoli
• D 25 della sezione minima della struttura
• D distanza tra i ferri di armatura diminuita di
  5mm
• D 30 spessore del copriferro (evitare che tra
  casseri e ferri sia ostruito il passaggio del
  calcestruzzo)

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Metodo di calcolo per la combinazione degli
aggregati
Gli aggregati normalmente reperibili risultano o
eccessivamente fini (sabbia) o eccessivamente
grossi (ghiaia) per poter soddisfare da soli ai
requisiti granulometrici dellaggregato ottimale
(equazione ()). Combinando più aggregati
granulometricamente diversi è possibile ottenere
un aggregato misto molto vicino a quello ottimale.
In corrispondenza di d 4.76mm il passante
dellaggregato ottimale è pari al 48. Poiché
solo la sabbia e totalmente passante per d
4.76mm (P100), mescolando il 48 di sabbia e il
52 di ghiaia laggregato combinato sarà in grado
di soddisfare il requisito di avere un passante
del 48 in corrispondenza di d 4.76mm.
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Metodo di calcolo per la combinazione degli
aggregati
Aggregato Combinato 48 di sabbia 52 di
ghiaia I valori di P per ogni valore di d si
calcolano come Pc0.48Ps 0.52Pg dove Pc è il
passante dellaggregato combinato, Ps è il
passante della sabbia e Pg è il passante della
ghiaia
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Proprietà meccaniche

• Matrice cementizia
• Modulo elastico E 2x104 3x104 MPa
• Resistenza meccanica a compressione Rc 30 40
  MPa
• Aggregati
• Modulo elastico E 2x104 10x104 MPa
• Resistenza meccanica a compressione Rc 80 250
  MPa

Benché gli aggregati occupino da i 2/3 a i ¾ del
volume del calcestruzzo le proprietà elastiche e
di resistenza meccanica sono governate da quelle
della matrice cementizia che rappresenta lanello
debole della catena.
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Le sostanze indesiderabili negli aggregati

• Sostanze organiche rallentano il processo di
  idratazione
• Sostanze argillose impediscono una buona
  adesione tra gli aggregati e la pasta cementizia
• Cloruri promuovono la corrosione dei ferri di
  armatura il loro contenuto negli aggregati deve
  essere inferiore allo 0.05-0.1 a seconda che Rc
  superi o meno i 30MPa
• Solfati interagiscano con il CA3 provocando
  fenomeni espansivi
• Sostanze alcaline reagiscono con laggregato
  provocando aumento di volume.

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CALCESTRUZZI ALLO STATO FRESCO
Gli impasti cementizi allo stato fresco si
comportano come un fluido a viscosità più o meno
elevata. Sotto lazione anche della sola forza
di gravità i vari componenti possono scorrere
reciprocamente e in alcuni casi smiscelarsi
provocando una separazione di acqua in superficie
(bleeding) e una sedimentazione degli elementi
lapidei. Linsieme dei fenomeni di bleeding e
sedimentazione prende il nome di segregazione e
comporta una indesiderabile disomogeneità del
materiale.
acqua di bleeding
aggregato
pasta di cemento
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Lavorabilità del calcestruzzo
Un impasto cementizio ottimale deve essere
lavorabile e nel contempo non segregabile. La
lavorabilità indica la capacità del calcestruzzo
di scorrere e di riempire le casseforme
Slump test metodo per determinare la
lavorabilità
Cono di Abrams
30 cm
H
Slump 30-H abbassamento che il calcestruzzo
subisce una volta sollevato il cono
Esistono 5 classi di consistenza S1-S5 in
corrispondenza di 5 intervalli di slump (S1terra
umida, S5superfluida)
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• Supposto che la curva granulometrica
  dellaggregato rispetti le condizioni di ottimo,
  la quantità di acqua richiesta per avere una
  certa classe di consistenza cresce
• allaumentare della classe di consistenza (da S1
  a S5)
• al diminuire del diametro massimo D (laggregato
  più piccolo presenta un rapporto S/V maggiore)
• passando da una aggregato alluvionale
  tondeggiante a uno di frantumazione (la
  superficie irregolare presenta maggiore attrito)

S
a
D
Irregolarità della superficie dellaggregato
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MIX-DESIGN determinazione della composizione
della miscela
Prestazioni del materiale in servizio (resistenza
meccanica)
a/c rapporto acqua-cemento

• Lavorabilità
• Aggregato (diametro massimo e forma)

a quantità dacqua
Noti a/c ed a è possibile ricavare la quantità di
cemento e di conseguenza il volume del cemento Vc
tenendo conto che la densità del cemento rc è
3.15 g/cm3. il volume dellacqua è uguale ad a
(ra1g/cm3), mentre il volume dellaggregato si
calcola per differenza VagVcalc-Vc-Va Nota poi
la densità dellaggregato rag pari a 2.6-2.7g/cm3
si può calcolare la massa dellaggregato
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ESERCIZIO 1 aggregato tondo con D32mm, S2,
a175Kg/m3, a/c0.5, determinare la composizione
della miscela
ESERCIZIO 2 aggregato frantumato con D8mm, S3,
a240Kg/m3, a/c0.5, determinare la composizione
della miscela
ESERCIZIO 3 aggregato tondo con D16mm, S4,
a215Kg/m3, a/c0.45, determinare la composizione
della miscela
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CALCESTRUZZI ALLO STATO INDURITO
Le proprietà del calcestruzzo allo stato indurito
variano nel tempo a partire dallistante di
miscelazione. Si assume per convenzione di
riferire le proprietà del calcestruzzo al tempo
di 28 giorni dalla miscelazione
Il calcestruzzo è caratterizzato dallavere una
scarsa resistenza a trazione e in ogni caso
minore della resistenza a compressione. Le
variazione di umidità nellambiente inducano
delle deformazioni nel calcestruzzo che è poroso.
Sono più critiche le diminuzioni di umidità che
comportano un ritiro e quindi degli sforzi di
trazione in una sistema vincolato quale può
essere una struttura in calcestruzzo
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Proprietà meccaniche del calcestruzzo influenza
della matrice cementizia
La matrice cementizia ha proprietà meccaniche
inferiori rispetto allaggregato quindi
rappresenta lanello debole della catena. Le
proprietà meccaniche del calcestruzzo sono
dominate da quelle della matrice cementizia.
Minore è il rapporto a/c minore è la porosità
capillare della matrice cementizia e maggiore
sarà la resistenza meccanica a compressione del
calcestruzzo. Si ha
La resistenza a compressione diminuisce
esponenzialmente allaumentare del volume dei
pori. Poiché il valore del volume dei pori
dipende da a/c si ha
K1 e K2 sono costanti empiriche e dal tempo
trascorso dalla miscelazione
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Rc è anche fortemente influenzata dal grado di
idratazione della matrice cementizia cioè dal
tempo trascorso dalla miscelazione.
Lintroduzione di aria intenzionale nella matrice
diminuisce Rc ma migliora la capacità di
resistenza al gelo e disgelo. A parità di Vp, Rc
risulta maggiore nel caso laria sia inglobata
volutamente (vuoti sferici e regolari) rispetto
allaria intrappolata involantariamente (vuoti
irregolari e più grossi)
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Proprietà meccaniche del calcestruzzo influenza
dellaggregato
Laggregato occupa da ½ a ¾ del volume del
conglomerato. Nonostante questo laggregato non
ha una forte influenza sulla resistenza meccanica
a compressione. (la matrice cementizia è lanello
debole per la sua porosità). Per i calcestruzzi
ad alta resistenza realizzati con piccoli valori
di a/c (piccoli Vp) è possibile che la porosità
dellaggregato diventi il fattore controllante
per Rc.
Rc
Aggregato non poroso
Aggregato poroso
a/c
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Aggregati più grossi e quindi con minore
superficie specifica richiedono meno acqua di
impasto a pari lavorabilità e quindi a parità di
dosaggio di cemento consentono di avere
calcestruzzi con Rc maggiore
Rc
In realtà ad aumentare è a/c !!
D
Influenza indiretta della dimensione massima
dellaggregato D su Rc a pari slump e a pari
dosaggio di cemento
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I calcestruzzi con aggregati di frantumazione
presentano una migliore resistenza meccanica a
trazione e a flessione rispetto a quelli
alluvionali per la migliore aderenza tra
aggregato e matrice cementizia. Esistono delle
relazioni che legano la resistenza a trazione Rt
e la resistenza a flessione Rf con Rc.
Rf Kfc Rc ½ Rt Ktf Rf
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aggregato
s
calcestruzzo
pasta di cemento
e
Il calcestruzzo ha un modulo elastico intermedio
rispetto allaggregato e alla pasta di cemento,ha
una deformazione a rottura minore della pasta di
cemento ed un comportamento elasto-plastico.
Queste ultime due caratteristiche sono dovute
alla zona di transizione
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Variazioni dimensionali del calcestruzzo
Coefficiente di Dilatazione termica
Matrice cementizia 10-5 C-1
Aggregati silicei 1.1 x 10-5 C-1
Aggregati calcarei 0.5 x 10-5 C-1
Acciaio 1.2 x 10-5 C-1

• Dilatazione termica

• Ritiro materiale poroso ? deformazioni quando
  U.R. varia
• Il ritiro è più critico del rigonfiamento per 2
  ragioni
• Variazione dimensionale dovuta al ritiro gt di
  quella dovuta al rigonfiamento

In acqua
In aria
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1. Rt lt Rc in una struttura vincolata il ritiro
   induce uno sforzo di trazione e il rigonfiamento
   uno sforzo di compressione

a/c
ritiro
Cè più acqua che evapora
Vp
ritiro
aggregato/cemento
diviene maggiore il volume della pasta cementizia
che è responsabile del ritiro